麦克斯韦，到底有多牛？
共 5316字，需浏览 11分钟
·
2020-12-01 12:07
导读：麦克斯韦，全名是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），英国著名物理学家、数学家。除了奠定电磁理论、开创经典电动力学之外，他还是统计物理学的奠基人之一。
18~19世纪的欧洲，就像开了挂一样，诞生了不计其数的天才科学家。
这些天才科学家取得的辉煌成就，奠定了现代学科的理论基础，为20世纪人类科技的全面腾飞创造了条件。
以通信行业为例，目前最前沿的通信科技，不管是5G，还是Wi-Fi 6，都是基于电磁理论发展起来的技术。而电磁理论，就是18~19世纪奠基完成的。
我们今天这篇文章的主角，就是电磁理论的重要奠基人之一，大名鼎鼎的麦克斯韦。
01 麦克斯韦的生平往事
我们首先回顾一下麦克斯韦的整个人生历程。
麦克斯韦的人生经历可以说是非常平淡，既没有大富大贵，也没有大起大落。
1831年6月13日，麦克斯韦在苏格兰爱丁堡出生。他的父亲是一位辩护律师，名叫詹姆斯·克拉克。之所以会多出一个“麦克斯韦”姓氏，是因为克拉克家族和麦克斯韦家族关系深厚，小麦克斯韦的曾祖母就来自麦克斯韦家族。小麦克斯韦他爹还继承了麦克斯韦家族的一些地产。
幼年时期的麦克斯韦，虽然家境殷实，但因为口音浓重等问题经常遭到同龄人的嘲笑，所以性格比较孤僻，不太喜欢讲话。他的教育，主要是由他的母亲在负责。
8岁那年，麦克斯韦的母亲患病去世，导致他变得更加沉默寡言。
不过，幸运的是，麦克斯韦的父亲并没有放弃对他的关爱，积极鼓励和陪伴他成长。他父亲发现，儿子经常画一些几何图形，于是，亲自教导他学习数学。
当时，他父亲还聘请了一名家教对他进行指导。然而，这名家教对小麦克斯韦极为尖酸刻薄，经常责骂他迟钝、任性。于是，他父亲在1841年11月辞退了这名家教，将小麦克斯韦送到久负盛名的爱丁堡公学就读。
这一期间，小麦克斯韦住在他的姨母伊萨贝拉家中。这位姨母对小麦克斯韦进行了悉心的照顾和教育，给他的人生造成了很多正向的影响。姨母的女儿，也就是小麦克斯韦的表姐，杰迈玛，激发了小麦克斯韦在绘画方面的兴趣和热爱。据不可靠消息，杰迈玛也是小麦克斯韦的初恋对象。
15岁的时候，麦克斯韦在爱丁堡皇家协会学报上，发表了自己的第一篇论文——《卵形线》（Oval Curves），在当地引起了不小的轰动。
1847年，16岁的麦克斯韦如愿进入了爱丁堡大学。此时的他，是班上年纪最小的学生，但成绩却总是名列前茅。他专攻数学物理，同时也接受了实验物理学、逻辑学等学科的严格训练。
1850年，在征得父亲同意的情况下，他转入剑桥大学。起初，他就读于彼得学院，后来，按个人意愿，转入了三一学院。在三一学院，他获选加入了剑桥大学秘密的精英社团——剑桥使徒。
在三一学院就读时的麦克斯韦，手上拿的是自己发明的比色环。
1851年，他开始跟随著名数学家威廉·霍普金斯学习数学。
1854年，也就是23岁的时候，麦克斯韦以第二名的成绩从剑桥大学三一学院数学系毕业，留校任教。
1855年，麦克斯韦读到了大神法拉第的著作《电学实验研究》，被书中各种各样的电磁感应实验所吸引，正式开始研究电磁学，从此一发不可收拾（后面会详细说）。
1856年，麦克斯韦来到苏格兰阿伯丁的马歇尔学院，担任自然哲学教授。当时他只有25岁，比其他教授至少年轻15岁。
1858年6月，麦克斯韦迎娶了马歇尔学院院长丹尼尔·迪尤尔的女儿——凯瑟琳·玛丽·迪尤尔（Katherine Mary Dewar）。凯瑟琳比麦克斯韦大7岁，个子也比麦克斯韦高，长相美丽且性格开朗。两人婚姻生活非常和谐美满、浪漫甜蜜，后来育有两个女儿。
▲麦克斯韦和凯瑟琳
1860年，马歇尔学院与阿伯丁国王学院合并成为阿伯丁大学。尽管麦克斯韦已有一定的影响力，但仍未争取到新学校的自然哲学教授职位，而且申请爱丁堡大学相同职位也未成功。无奈之下，经人介绍，麦克斯韦到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。
此时的麦克斯韦，进入了自己人生阶段中最为高产的一段时期。他在电磁领域的几篇重要论文，都发表于这一时期。1861年，麦克斯韦当选为伦敦皇家学会会员。
1865年，麦克斯韦辞去教职，和凯瑟琳一起回到家乡格伦莱尔，开始系统地总结电磁学的研究成果。这一期间，他完成了电磁场理论的经典巨著——《电磁通论》，并于1873年出版。
1871年，麦克斯韦受聘为剑桥大学首任实验物理学教授，并负责筹建该校第一所物理学实验室——卡文迪什实验室。
1874年，卡文迪什实验室建成后，麦克斯韦担任实验室的第一任主任。
卡文迪许实验室后来举世闻名，对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响，被誉为“诺贝尔物理学奖获得者的摇篮”。
▲卡文迪许实验室旧址，这里产生了29位诺贝尔奖得主
后来的麦克斯韦，一直在倾力照顾自己生病的妻子（之前是照顾生病的父亲），心力交瘁。没过多久，自己也被查出患病。
1879年11月5日，麦克斯韦在剑桥因胃癌逝世，享年仅48岁。
此时，他刚刚完成第二版《电磁通论》前九章的修订。值得一提的是，他的母亲当年也是相同年龄因为相同的癌症而去世的（也有说法是他母亲死于肺结核）。
逝世后的麦克斯韦，葬于苏格兰西南部罗门湖(Loch Ken) 附近的一座教堂中。
▲麦克斯韦的墓碑
02 麦克斯韦的成就与贡献
好了，接下来，我们来看看麦克斯韦的人生成就。
一直以来，在学术界和历史界，麦克斯韦都被赋予了极高的地位。他的学术贡献，被认为可以与牛顿、爱因斯坦比肩。
普通人可能会质疑，麦克斯韦真的有这么牛吗？竟然可以和牛爵爷、爱神平起平坐？他不就是捣鼓了一个麦克斯韦方程组吗？值得封神吗？
Hoho，麦克斯韦之所以民间名气不够大，就是吃了麦克斯韦方程组的亏。
你看牛爵爷的三大定律，咱们中学的时候就能看懂。公式的话，说来说去，也就是围绕着“F=ma”转，非常简单。
爱神的“相对论”嘛，反正大家都不懂，就知道很牛逼，就够了。公式的话，E=mc2，至少看起来简单好记啊。
麦克斯韦的方程组呢，Duang，就是下面这个：
你看得懂不？记得住不？写得来不？
也许你在大学的时候，曾经看得懂，我相信现在已经忘得差不多了吧？
上面这个，还是经过天才物理学家奥利弗·亥维赛“改良”的版本，原版的麦克斯韦方程组有20个方程式，更要命。
所以说，麦克斯韦属于那种一般人看不懂他为什么牛逼，而专业人士明明知道他牛逼，却解释不清楚他为什么牛逼的类型。
麦克斯韦的生平极少发生八卦新闻，他的名字也没有像安培、赫兹、特斯拉一样，成为物理学单位，这都影响了他在普通人眼里的知名度。
其实，概括来说，麦克斯韦的最大贡献，就是共同参与电磁理论的奠基，搞清了光、电、磁的真相，最终帮助人类驾驭了电磁波。
没有麦克斯韦，就没有电磁波的广泛应用（或者说会晚很多年），不会有手机、无线电、广播、微波炉、雷达、卫星、CT、B超……人类社会，完全会是另外一番景象。历史的发展，也会是另外一种结局。
我们回顾一下电磁理论的诞生过程。
1820年，丹麦科学家奥斯特通过偶然发现的磁针偏转现象，提出电流存在磁效应。
此后不久，毕奥和萨伐尔在大佬拉普拉斯的帮助下，提出了著名的毕奥-萨伐尔定律，可以算出任意电流在空间中产生磁场的大小。但是这种方法在实际使用的时候比较繁琐。
再后来，安培发现了一个更实用更简单的计算电流周围磁场的方式，这就是安培环路定理。安培还总结了一个很实用的规律，用于判断电流产生磁场的方向，这就是大家非常熟悉的安培定则（也就是右手螺旋定则）。
再再后来，大神法拉第出场，经过反复实验，提出了电磁感应定律（1831年），引入了电场和磁场的概念（1837年），指出电和磁周围都有场的存在，打破了牛顿力学“超距作用”的传统观念。
▲迈克尔·法拉第（1791~1867）
然而，法拉第是一位实验物理学家，他小时候因为家庭穷困没有受过正统教育，数学能力较弱，所以无法通过数学公式对自己的理论进行证明，一直为此耿耿于怀。
▲法拉第的著作——《电学的实验研究》，从头到尾没有一个公式
在法拉第的默默召唤之下，上帝派来了数学兼物理双料天才——麦克斯韦，帮助法拉第了却心愿。
1855年，麦克斯韦发表了一篇论文——《论法拉第的力线》，第一次试图将数学形式引入法拉第的力线概念，从而初步建立电与磁之间的数学关系。这篇文章引起了物理学界的重视，也得到法拉第本人的赞扬。
1862年，麦克斯韦发表了第二篇论文——《论物理学的力线》。在这篇论文中，他首次提出了“位移电流”和“电磁场”等新概念，对电磁理论给出了更完整的数学表述。
1864年，麦克斯韦发表了第三篇论文——《电磁场的动力学理论》。这篇论文中不仅给出了麦克斯韦方程，还首次提出了“电磁波”的概念。
麦克斯韦认为，变化的电场会激发磁场，变化的磁场又激发电场。这种变化的电场磁场共同构成了电磁场，电磁场以横波的形式在空间传播，就是电磁波。
麦克斯韦推算出电磁波的传播速度，发现和光速非常接近，于是，他指出：“光与磁是同一物质的两种属性，而光是按照电磁定律在电磁场中传播的电磁扰动。”
以上这些突破性进展，极大地验证了法拉第的电磁感应定律，也让法拉第可以不留遗憾地离开这个世界（1867年）。
法拉第是幸运的，但麦克斯韦却没有那么好命。
虽然麦克斯韦通过完美的数学公式奠定了电磁理论的基础，但是，因为理论过于精深复杂，公式过于抽象，所以并未得到公众的广泛认可。
在牛顿力学仍占主导的那个时期，麦克斯韦的理论遭到主流学术界的抵制，年轻学者也很少有人愿意追随他。
据说，在麦克斯韦去世那年，当他仍然坚持不懈地宣传电磁波理论时，只有2个听众愿意听他上课，一个是来自美国的研究生，另一个是后来发明电子管的弗莱明。
他逝世后，主流学术界依旧没有接受他的理论。
一直到他逝世的9年后，1888年，年轻的德国物理学家赫兹，通过实验首次证实了电磁波的存在，才真正验证了麦克斯韦理论的正确性。麦克斯韦的贡献和地位，得以被全世界承认。如果他泉下有知，也可以瞑目了。
▲海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）
在科学史上，人们普遍认为，牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是“第一次”大统一，而麦克斯韦把电学、磁学、光学统一起来，是“第二次”大统一。
值得一提的是，后来爱因斯坦受麦克斯韦方程组的刺激，想要以同样的方法统一力场，将宏观和微观的两种力放在同一组式子中，实现最终的“大一统理论”，结果没搞成。不然的话，这个世界估计又是另外一个样子了。。。
此外，麦克斯韦的《电磁学通论》，作为电磁学经典著作，也经常被拿来和牛顿的《自然哲学的数学原理》（力学）、达尔文的《物种起源》（生物学）相提并论。
所有这些，都足以证明麦克斯韦的伟大。
上面所说的贡献，还仅仅只是麦克斯韦在电磁理论方面的工作。除了电磁理论之外，麦克斯韦在光学、天文学、分子运动论和热力学等诸多领域也有非常深入的研究，对后世产生了深远影响。
例如著名的物理学四大神兽之一，麦克斯韦妖，就是麦克斯韦围绕热力学第二定律提出来的一个佯谬。
03 结语
回顾麦克斯韦出生和逝世年月，我们会发现两个惊人的巧合——麦克斯韦出生的那一年，法拉第发现了电磁感应；麦克斯韦去世的那一年，爱因斯坦出生。
爱因斯坦一生对麦克斯韦极为推崇，他后来取得的很多研究成果（狭义相对论等），都离不开麦克斯韦的前期贡献。也有人戏称，爱因斯坦是麦克斯韦的隔世弟子。
1931年，在麦克斯韦诞辰一百周年的纪念会上，爱因斯坦评价麦克斯韦的建树，是“牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作。”
量子论创立者普朗克也是麦克斯韦的忠实拥趸。他是这么评价麦克斯韦的：“他的光辉名字将永远镌刻在经典物理学的门扉上，永放光芒。从出生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界。”
来自20世纪最伟大天才们的肯定，足以说明这位19世纪最伟大天才的价值。不是吗？
参考文献：
《麦克斯韦对人类的贡献》，360doc
《为什么麦克斯韦没有牛顿和爱因斯坦有名？》，知乎
《与牛顿、爱因斯坦齐名，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦生平简介》，趣历史
《麦克斯韦传》，佚名
《麦克斯韦》，刘叔物理
百度百科，麦克斯韦词条
